用于质量交换、分离和过滤的膜设备和方法
【专利说明】用于质量交换、分离和过滤的膜设备和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求享有2013年2月22日提交的标题为"Membrane Device and Process for Mass Exchange, separation, and Filtration"的第61/768,124号美国临 时申请W及2014年2月20日提交的标题为"Membrane Device and Process for Mass Exchange, separation, and Filtration"的第14/185, 706号美国申请的优先权。
[0003] 关于对在联邦政府资助的研究和开发下做出的发明的权利的申明
[0004] 本发明是在美国能源部授予的合同DE-AC05-76化01830下由政府支持完成的。美 国政府对本发明享有一定权利。
【背景技术】
[0005] 低成本、大表面面积的无机膜模块因为同时具有金属材料的独特性能属性和陶瓷 材料的独特性能属性而受到长期工业研究。为了容易地展开膜模块，膜模块需要具有一个 压缩形式。填充有聚合物膜的常规反渗透（R0)膜可提供每单位体积大的膜表面面积。然 而，由于反渗透（R0)膜没有处理扫掠（即，气体）流动流（flowstream)的能力，因此其对 于质量转移应用无效。具有圆柱形设计的R0型膜还受通道尺度限制，W至当该膜被放置在 真空下时可导致大的压力下降。此外，采用金属管或陶瓷管的常规过滤器具有的膜填充密 度通常比聚合物膜低将近一个数量级。此外，螺旋缠绕式R0膜过滤器和板式R0膜过滤器 通常分别用于海水淡化和用于在生物反应器中处理废水，提供仅在单流动方向上对单个流 动流的过滤。没有过滤器能够同时处理双流动流，运消除了两个流动流之间的质量转移和 热量转移（transfer)。并且，设计用于液相过滤的膜过滤器不适合在低压力下或在真空下 的汽相分离，其中在低压力下或在真空下压力下降变成一个重要问题。因此，需要为液相分 离和汽相分离W及过滤应用提供在最小压力降的情况下具有高质量转移率的新的膜设计。 本发明解决了运些需求。
【发明内容】
[0006] 本发明包括一种在质量交换、质量转移、热量转移、分离、过滤中获得应用的膜设 备（membranedevice)。该膜设备可包括堆叠在一起W形成一个膜模块的一个或多个膜盒。 每个膜盒可包括一个由选定的材料（例如，金属或塑料）构造的支撑框架。多个多孔金属 片膜（porousmetalsheetmembrane)可被安装到该支撑框架的相应侧。膜盒堆中的膜盒 在具有流动通道的所述膜设备的相应侧上提供若干个供给流动槽（feedflowslot)和若 干个渗透（或扫掠）流动槽（permeate(orsweep)flowslot),在运行期间流动通道运输 供给流动流（feedflowstream)中的选定的流体或分子横穿膜盒中的所述多孔膜的表面。 供给槽可W交叉流流动型态或逆流流动型态运输选定的流体或分子通过该膜设备。在运行 期间多孔金属膜为引入到该膜设备的供给流动流中的成分和从该膜设备去除的渗透流动 流中的成分提供选定的质量交换。多孔金属膜可包括多种金属和金属合金或由多种金属和 金属合金构造。金属和金属合金包括但不限于，例如，儀（Ni)金属、儀铁（Ni-Fe)合金、儀 铜（Ni-化）合金、不诱钢合金、铁（Ti)金属、铁合金，包括运些多种金属和金属合金的组合。
[0007] 该膜模块分离或过滤引入到膜设备内的供给流动流中的选定尺寸的粒子或分子。 该支撑框架可包括安置在该支撑框架的相应面上的凹陷（depression)，所述凹陷形成该膜 设备中的每个膜盒中的供给流动槽和渗透（或扫掠）流动槽。该膜设备的选定侧上的供给 槽被定向在与该膜设备的另一侧上的渗透（或扫掠气体）槽成90度的方向上。
[0008] 多个多孔金属膜可在膜盒的支撑框架上间隔开一个选定距离。运些膜过滤或分离 通过该膜设备中的金属膜盒的供给槽引入的供给流中的粒子。
[0009] 在一些应用中，多孔金属膜可W是对称膜。在一些应用中，多孔金属膜可W是非对 称膜。多孔金属膜可包括尺寸在约0.01ym到约10ym之间的孔隙。
[0010] 多孔金属膜可具有选定厚度。膜的厚度可被选择W减小或最小化所选定的分子或 材料横穿该膜设备的膜的运输阻力。多孔金属片膜可具有在约20ym到约200ym之间选 择的厚度。
[0011] 该膜设备中的膜允许两个过程流动流保持与另一方分离同时允许选定的分子或 选定的材料横穿所述膜。
[0012] 所述膜盒中的多孔金属片膜可包括由放置在所述膜的后侧或背侧W支撑膜盒中 的膜的一层或多层多孔或流体可渗透材料或结构构造的基底化acking)材料。基底材料可 包括但不限于，例如，聚合物、金属W及运些材料的组合。在一些应用中，基底材料可包括多 孔聚醋片。在一些应用中，基底材料可包括与金属网共辆的多孔聚醋片。基底材料使得对 扫掠流动流的流动阻力最小化W流经在两个膜片的背表面之间的膜盒。在质量转移期间的 流动方向可平行于膜表面。
[0013] 基底材料可包括在约0. 05mm到约5. 0mm之间选择的厚度。基底材料可包括由开 口面积与总面积的比率限定的孔隙度，该比率在约0. 2到约0. 95之间。基底材料可包括具 有在约0.01mm到约5.0mm之间选择的尺寸的孔隙开口，该孔隙开口允许在由本文中列出的 渗透量值表征的最小压力降的情况下渗透流出该膜设备的膜盒。
[0014] 用于液相过滤或分离的基底材料可包括大于约50升/m7小时/己的渗透量。用 于液相扫掠流动流经过所述基底材料的压力降优选地小于约1己。用于气相过滤或分离的 基底材料可包括大于约l.〇E-5mol/m2/s/化的渗透量。用于气相扫掠流动流经过所述基底 材料的压力降优选地小于约0.1己。
[0015] 基底材料可包括优选地在约0. 3mm到约5. 0mm之间的、用于扫掠流动流W流动经 过基底材料经过膜盒的液压直径。
[0016] 基底材料还可使得多孔金属片膜能够经受位于所述膜设备的膜的供给侧和所述 膜设备的膜的渗透侧之间的约1己或更大的压力梯度。
[0017] 在一些应用中，膜盒可包括布置位于在所述多孔金属膜的后侧上的多个基底材料 之间的一个间隔件材料。间隔件可由波纹金属或其它合适的波纹材料构造。间隔材料用来 维持膜模块的膜盒中的多个多孔金属膜之间的选定的间隔距离。在多种应用中，膜表面之 间的间隔距离在约0.5mm到约10.0mm之间。间隔件材料还可提供在膜盒内部的具有开口 的直的供给流动通道，所述开口具有在约0. 3mm到约3. 0mm之间选择的直径尺度。
[0018] 间隔件可用来使得总体流动流和膜表面之间的质量转移阻力间隔，W至允许流动 流在最小压力降的情况下流动。
[0019] 在一些应用中，间隔件材料可被安置在膜设备中的膜盒堆的个体盒之间。
[0020] 供给槽可包括具有在约0. 3mm到约5. 0mm之间选择的直径尺度的开口。渗透槽可 包括具有在约0. 3mm到约3. 0mm之间选择的直径尺度的开口。
[0021] 该膜设备可包括附接到一个或多个膜盒的相应侧上的膜模块的供给槽和渗透槽 的歧管。歧管可将至少一个供给流动流均匀地递送到膜设备的第一侧上的流动槽内，并且 通过该膜设备的一侧或多侧上的渗透流动槽收集一个或多个流动流，所述渗透流动槽不同 于该膜设备的第一侧上的渗透流动槽。该膜设备的供给槽可运输供给流中的选定的流体或 分子横穿该膜设备内的一个或多个膜盒的多个多孔金属膜。
[0022] 在一些应用中，膜盒中的多个多孔金属膜中的至少一个可包括在多孔膜上、由选 定的沸石构造的具有选定厚度的沸石层（膜）。该沸石膜可被配置W在如下压力梯度下从 引入到该膜设备中的供给流中移除选定的原子或分子，所述压力梯度形成其中不存在所述 选定的原子或分子的渗透流。该沸石膜可W是具有选定尺寸的孔隙的水选择性膜，该孔隙 提供大于或等于约lE-06Mol/m2/Pa/s的水渗透量，用于从引入到该膜设备内的供给流中选 择性地去除水。
[0023] 在一些应用中，水选择性沸石膜可被用来将水分子从除了包含水之外还包含其它 分子的流体流（诸如，水/酒精混合物）中去除。与其他分子相比对水的选择率优选地在 约10W上。在一些应用中，去除选定的分子可W是在恒定的压力和溫度下进行的连续的过 程。
[0024] 在一些应用中，引入到该膜设备内的供给流可W是在l〇°CW上的溫度且至少约10%的相对湿度下引入的潮湿空气。如通过该膜设备的膜之间的水蒸汽的局部压力评定 的，当潮湿的供给空气流动经过膜模块时，可在一次通过中去除供给空气流中超过20%的 水分。
[00巧]在一些应用中，水选择性沸石膜可被用来从气体流（诸如，空气）中去除水分。与 其他分子相比对水的选择率优选地在约100W上。该膜模块可被用于建筑物空气除湿或调 节，并且还可用在多种空气干燥处理中，所述空气干燥处理包括例如工业级和建筑物级的 除湿或调节过程。无意进行限制。
[0026] 在一些应用中，该膜设备可被用来将引入供给流中的一种分子从该膜设备的一侧 运输到从该膜设备的另一侧释放的扫掠流中。实施例包括在该膜设备中潮湿空气和干燥空 气之间的水分交换。在一些应用中，该过程可包括将潮湿空气的供给流引入到膜设备内并 且从该膜设备的渗透侧释放含有干燥空气的扫掠流。
[0027] 在多种应用中，该膜设备可被用来通过W交叉流样式或逆流样式将过程流动递送 通过该设备的膜来提供过滤或分离。
[0028] 在一些应用中，可与位于膜设备的供给侧和渗透侧之间的压力梯度合作使用该膜 设备W用于多个应用，所述应用包括但不限于，例如，分子分离或粒子过滤。
[0029] 在一些应用中，该膜设备可被用来过滤过程流动流中的粒子，诸如，过滤含有藻类 的流动流中的藻类W收获藻类。在一些应用中，该膜设备可被用来在位于该膜设备的供给 侧和渗透侧之间压力梯度下过滤培养液中的藻类。在一些应用中，该供给流可包含藻类并 且被引入到该膜设备内。从该膜设备释放的供给流可包含更大浓度的藻类。从该膜设备释 放的渗透流动流可包括从该供给流收集的水。
[0030] 在一些应用中，该膜设备可通过逆转该膜设备的供给侧和渗透侧之间的压力梯度 来允许反冲化ackflushing)。在此运行模式中，可通过首先保持膜设备的供给侧上的压力 高于渗透侧上的压力达一段时间来进行选定尺寸的粒子或分子的过滤和/或分离。然后， 渗透侧上的压力可被升高到供给侧上的压力W上达一个选定的时间，W允许渗透流中的流 体通过该膜设备中的膜流回到供给侧内，从而洗掉膜表面上的任何固体沉积物。
[0031] 在一些应用中，该过程可包括将歧管连接到该膜设备的相应侧上的供给槽和渗透 槽，W积累或收集进入和离开该膜设备的相应流动流。
[0032] 本发明还包括一种方法，该方法包括递送包括待被过滤或分离